KR20160065291A - 전동기 구동 모듈 - Google Patents

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KR20160065291A
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허세완
김민기
석정희
양일석
오지민
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 회전자 및 고정자를 포함하는 전동기를 제어하는 전동기 구동 모듈은 외부로부터의 제어 신호에 응답하여 회전자의 위치를 가리키는 위치 신호를 기반으로 전동기로 인가되는 복수의 전압들을 제어하는 전동기 구동부; 전동기로 인가되는 복수의 상전류들을 검출하여 복수의 상전류 신호들을 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 복수의 상전류 신호들을 기반으로 회전자의 위치를 검출하여 위치 신호를 출력하는 위치 추정부를 포함하고, 위치 추정부는 복수의 상전류 신호들을 신호들을 기반으로 복수의 동기 정현파 신호를 생성하는 위상 고정 루프; 복수의 상전류 신호들 및 복수의 동기 정현파 신호들을 기반으로 복수의 동기 상전류 신호들을 생성하는 칼만 필터; 및 복수의 동기 상전류 신호들을 기반으로 회전자의 위치를 검출하여 위치 신호를 출력하는 위치 연산부를 포함한다.

Description

전동기 구동 모듈{MOTOR DRIVING MODULE}
본 발명은 전동기 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전동기 구동 모듈 및 BLDC 전동기 시스템에 관한 것이다.
전동기(motor)는 전류가 자기장 내에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치이다. 전동기는 입력 전원의 종류에 따라 교류 전동기 및 직류 전동기로 분류된다. 교류전동기는 고정자의 권선에 전류를 공급하여 자기장을 변화시켜 회전자를 회전시킨다. 직류전동기는 회전자에 일정한 전류를 공급하여 회전자를 회전시킨다. 이 때, 직류전동기는 정류자(brush)를 사용하여 회전자의 위치에 상관없이 일정한 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 한다.
최근에는 전력전자제어 기술이 발달함에 따라, 전자 스위칭 기술을 사용하여 정류자를 사용하지 않는 직류 전동기(BLDC Motor; Brushless Direct Current Motor)가 제공되고 있다. BLDC 전동기는 정류자를 사용하지 않기 때문에, 기계적인 마찰로 인한 열발생 및 정류자의 마모에 의한 문제점이 없다.
BLDC 전동기의 구동 방식은 구형파 전압 구동 방식 및 정현파 전압 구동 방식으로 분류된다. 구형파 전압 구동 방식은 회로 구성 및 구동 방식이 단순한 반면에, 진동 또는 소음이 큰 단점을 갖는다. 정형파 전압 구동 방식은 회로 구성 및 구동 방식이 복잡한 반면에, 진동 및 소음이 작은 장점을 갖는다. 상술된 구형파 전압 구동 방식 및 정현파 구동 방식은 모두 전동기의 회전자의 위치를 검출하고, 검출된 회전자의 위치를 기반으로 BLDC 모터를 구동한다.
BLDC 전동기의 회전자의 위치는 홀센서를 이용하여 검출될 수 있다. 홀센서는 자기장 방식을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 부품이다. 홀센서는 전동기의 외부 또는 내부에 부착되기 때문에, 전동기의 부피 및 제조 단가가 증가하는 문제점이 있다.
상술된 문제점을 해결하기 위하여, 센서가 없는(sensorless; 센서리스) BLDC 전동기가 사용된다. 센서가 없는 BLDC 전동기는 구동 중 발생하는 역기전력(BEMF; back Electro-Motive Force)을 측정 또는 추정하여 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
예를 들어, 구형파 전압 구동 방식을 사용할 경우, 전동기 구동 모듈은 센서가 없는 BLDC 전동기의 역기전력을 측정하여 회전자의 위치를 검출할 수 있다. 반면에, 센서가 없는 정현파 전압 구동 방식을 사용할 경우, 전동기 구동 모듈은 센서가 없는 BLDC 전동기의 역기전력을 직접 측정할 수 없다. 그러나, 전동기 구동 모듈은 BLDC 전동기의 등가 모델, 구동 전압, 및 구동 전류를 검출하여 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
BLDC 전동기의 등가 모델은 전동기의 구동 전에 측정된 전동기 파라미터들을 기반으로 형성될 수 있다. 구동 전압은 BLDC 전동기의 구동 중에 내부 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. BLDC 전동기의 구동 중에 BLDC 전동기에 흐르는 전류가 측정되고, 측정된 전류가 구동 전류로서 사용된다. 이 때, BLDC 전동기에 흐르는 전류는 센서를 통해 측정되고, 아날로그-디지털 변환을 통해 사용될 수 있다. 아날로그-디지털 변환된 전류 신호는 불연속적인 신호이기 때문에, 회전자의 위치 추정의 정확성이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 검출된 상전류 신호들을 연속적인 신호들로 변환함으로써, 전동기 제어의 정확성이 향상된 전동기 구동 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 회전자 및 고정자를 포함하는 전동기를 제어하는 전동기 구동 모듈은 외부로부터의 제어 신호에 응답하여 상기 회전자의 위치를 가리키는 위치 신호를 기반으로 상기 전동기로 인가되는 복수의 전압들을 제어하는 전동기 구동부; 상기 전동기로 인가되는 복수의 상전류들을 검출하여 복수의 상전류 신호들을 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 복수의 상전류 신호들을 기반으로 상기 회전자의 위치를 검출하여 상기 위치 신호를 출력하는 위치 추정부를 포함하고, 상기 위치 추정부는 상기 복수의 상전류 신호들을 신호들을 기반으로 복수의 동기 정현파 신호를 생성하는 위상 고정 루프; 상기 복수의 상전류 신호들 및 상기 복수의 동기 정현파 신호들을 기반으로 복수의 동기 상전류 신호들을 생성하는 칼만 필터; 및 상기 복수의 동기 상전류 신호들을 기반으로 상기 회전자의 위치를 검출하여 위치 신호를 출력하는 위치 연산부를 포함하고, 상기 복수의 상전류 신호는 불연속적인 신호이고, 상기 복수의 동기 상전류 신호는 연속적인 신호이다.
실시 예로서, 상기 전동기 구동부는 지령 전압을 생성하는 지령 전압 생성부; 상기 제어 신호 및 상기 위치 신호를 기반으로 상기 지령 전압 생성부를 제어하는 제어부; 상기 지령 전압을 기반으로 복수의 스위칭 신호들을 생성하는 PWM(Pulse Width Modulation) 변조부; 및 상기 복수의 스위칭 신호들을 기반으로 상기 복수의 전압들을 생성하는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 포함한다.
실시 예로서, 상기 위치 추정부는 상기 복수의 동기 상전류 신호들 및 상기 지령 전압을 기반으로 상기 전동기의 역기전력을 추정하는 역기전력 추정부를 포함한다.
실시 예로서, 상기 역기전력은 연속된 신호이다.
실시 예로서, 상기 위치 연산부는 상기 추정된 역기전력을 기반으로 상기 위치 신호를 출력한다.
실시 예로서, 상기 지령 전압 생성부는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 위치 신호와 대응되는 지령 전압을 출력한다.
실시 예로서, 상기 위상 고정 루프는 상기 복수의 상전류 신호들 및 회전각을 기반으로 좌표 변환을 수행하여 회전 좌표 신호들을 출력하는 변환기; 상기 회전 좌표 신호들 중 어느 하나의 신호, 및 상기 제어 신호에 따른 지령 각속도 및 지령 동기 위치 신호를 기반으로 상기 회전각을 출력하는 적분기; 및 상기 회전 좌표 신호들과 다른 동기 회전 좌표 신호들 및 상기 회전각을 기반으로 역 좌표 변환을 수행하여 상기 복수의 동기 정현파 신호들을 출력하는 제2 변환기를 포함한다.
실시 예로서, 상기 제1 변환기는 상기 복수의 상전류 신호들을 정지 좌표로 변환하여 정지 좌표 신호들을 출력하는 클락 변환기; 및 상기 회전각을 기반으로 상기 정지 좌표 신호들을 회전 좌표로 변환하여 상기 회전 좌표 신호들을 출력하는 파크 변환기를 포함하고, 상기 제2 변환기는 상기 회전각을 기반으로 상기 동기 회전 좌표 신호들을 정지 좌표로 변환하여 동기 정지 좌표 신호들을 출력하는 역 파크 변환기; 및 상기 동기 정지 좌표 신호들을 상기 복수의 동기 정현파 신호들로 변환하는 역 클락 변환기를 포함한다.
실시 예로서, 상기 복수의 동기 정현파 신호들은 상기 복수의 상전류 신호들과 동일한 위상을 갖는다.
실시 예로서, 상기 전동기는 BLDC(Brushless direct current) 전동기이다.
실시 예로서, 상기 복수의 전압들은 3상 전압이고, 상기 복수의 상전류들은 3상 전류이다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전동기 구동 모듈이 회전자 위치 검출에 사용되는 상전류 신호들을 연속적인 동기 상전류 신호들로 변환함으로써, 검출되는 회전자의 위치 신호, 및 위치 신호를 기반으로 생성된 지령 전압 또한 연속적인 신호가 된다. 따라서, 전동기 제어의 정확성이 향상된 전동기 구동 모듈이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 브러쉬리스 직류(BLDC; Brushless DC) 전동기를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 전동기 시스템을 더욱 상세하게 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1의 위치 추정부를 상세하게 보여주는 블록도이다.
도 4는 도 3의 SRF PLL 및 칼만 필터를 더욱 상세하게 보여주는 블록도이다.
도 5 및 도 6은 상전류 신호 및 동기된 상전류 신호를 보여주는 그래프들이다.
도 7은 도 3의 위치 연산부의 출력을 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 1의 전동기 구동 모듈의 동작 방법을 보여주는 순서도이다.
이하에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여 본 발명의 실시 예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
센서가 없는(Sensorless) BLDC(brushless DC) 전동기는 BLDC 전동기에 포함된 회전자의 위치를 검출하고, 검출된 회전자의 위치를 기반으로 제어된다. 본 발명에 따른 BLDC 전동기 시스템은 BLDC 전동기로 흐르는 상전류들을 표본 추출 및 A/D 변환기를 통해 불연속적인 상전류 신호들을 검출하고, 검출된 상전류 신호들을 연속적인 상전류 신호들로 필터링하여 역기전력을 검출할 수 있다. BLDC 전동기 시스템은 검출된 역기전력을 기반으로 회전자의 위치를 추정하고, 추정된 위치를 기반으로 지령 신호를 생성하여 BLDC 전동기를 제어할 수 있다. 따라서, 역기전력, 회전자의 위치, 및 지령 신호가 시간에 대한 연속적인 신호로 검출, 추정, 및 생성되므로, BLDC 전동기 시스템의 제어 신뢰도가 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 브러쉬리스 직류(BLDC; Brushless DC) 전동기를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, BLDC 전동기(100)는 전동기 구동 모듈(110, Motor driving Module), 및 전동기(101)를 포함한다. 예시적으로, 전동기(101)는 BLDC 전동기일 수 있다.
전동기 구동 모듈(110)은 제어 신호(CTRL)에 응답하여 전동기(101)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호(CTRL)는 전동기(101)의 목표 토크, 목표 속도와 같은 정보를 포함할 수 있다. 전동기 구동 모듈(110)은 전동기(101)로 공급되는 상전류들(Iu, Iv, Iw)을 측정하고, 측정된 상전류(Iu, Iv, Iw) 및 제어 신호(CTRL)를 기반으로 전동기(101)로 3상 전압(u, v, w)을 공급할 수 있다.
좀 더 상세한 예로서, 전동기 구동 모듈(110)은 전동기 구동부(120, Motor Driving Unit), 표본 추출 및 아날로그-디지털 컨버터(130; 이하에서, "A/D 변환기"라 칭함), 위치 추정부(140, Position Estimating Unit), 및 PWM 인버터(150, Pulse Width Modulation Invertor)를 포함한다. 전동기 구동부(120)는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 지령 전압(Vref), 지령 속도(ωref) 및 지령 동기 위치 신호(Id*)를 위치 추정부(130)로 전달할 수 있다.
A/D 변환기(130)는 상전류(Iv, Iu, Iw)을 주기적으로 샘플링하여 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)을 출력할 수 있다. 예시적으로, 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)은 3상 전류들 각각을 가리키는 신호이며, 불연속적인 신호일 수 있다. 예시적으로, 불연속적인 신호는 이산신호를 가리킬 수 있다.
위치 추정부(140)는 A/D 변환기(130)로부터 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)을 수신하고, 수신된 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic) 및 전동기 구동부(120)로부터 수신된 신호들(Vref, ωref, Id*)을 기반으로 전동기(101)의 회전자의 위치를 검출하여 위치 신호(θm)를 출력할 수 있다. 예시적으로, 위치 신호(θm)는 회전자의 전기적 위치를 가리킨다.
예를 들어, 위치 추정부(140)는 동기 기준 프레임 위상 고정 루프(131, SRF PLL; Synchronous Reference Frame Phase Locked Loop) 및 칼만 필터(132)를 포함할 수 있다.
SRF PLL(141)은 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic) 및 전동기 구동부(120)로부터 수신된 신호들(ωref, Id*)을 기반으로 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 동일한 위상을 갖는 동기 정현파 신호들을 생성할 수 있다. 칼만 필터(132)는 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic) 및 동기 정현파 신호들을 기반으로 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 동일한 위상 및 동일한 진폭(amplitude)을 갖는 동기 상전류 신호들을 생성할 수 있다. 예시적으로, 동기 상전류 신호들은 연속 신호일 수 있다.
위치 추정부(140)는 동기 상전류 신호들을 기반으로 전동기(101)의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 전동기(101)의 회전자의 위치를 검출할 수 있다. 위치 추정부(140)는 검출된 회전자의 위치를 가리키는 위치 신호(θm)를 전동기 구동부(120)로 전달할 수 있다.
전동기 구동부(120)는 수신된 위치 신호(θm)에 따라 지령 전압(Vref)을 생성할 수 있다. 전동기 구동부(120)는 지령 전압(Vref)을 기반으로 복수의 스위칭 신호들(S1~S6)를 생성하여 PWM 인버터(150)로 전송할 수 있다.
PWM 인버터(150)는 수신된 PWM 신호(S1~S6)에 응답하여 3상 전압(u, v, w)을 전동기(101)로 공급할 수 있다. 예시적으로, 전동기(101)가 3상 전압을 기반으로 구동되는 경우, PWM 인버터(150)는 6개의 전력 스위치 소자들로 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적으로, A/D 변환기(130)로부터 출력되는 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)은 불연속적인 신호들(또는 이산 신호들)일 것이다. 이 경우, 위치 추정부(130)로부터 출력되는 위치 신호(θm) 또한 불연속적으로 형성되기 때문에, 전동기(101)에 대한 제어가 정확하게 수행되지 않을 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시 예에 따르면, 위치 추정부(130)는 SRF PLL(131) 및 필터(132)를 사용하여 불연속적인 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 동일한 위상 및 동일한 진폭(amplitude)을 갖는 동기 상전류 신호들(즉, 연속된 신호들)을 생성하기 때문에, 위치 추정부(130)로부터 출력되는 위치 신호(θm) 또한 연속적인 신호일 것이다. 따라서, 전동기(101) 제어의 정확성이 향상될 수 있다.
도 2는 도 1의 전동기 시스템을 더욱 상세하게 보여주는 블록도이다. 간략한 설명을 위하여, 도 1을 참조하여 설명된 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 전동기 시스템(100)은 전동기 구동 모듈(110) 및 전동기(101)를 포함한다. 전동기 구동 모듈(110)은 전동기 구동부(120), A/D 변환기(130), 위치 추정부(140), 및 PWM 인버터(150)를 포함한다.
전동기 구동부(120)는 제어부(121), 지령 전압 생성부(122), 및 PWM 변조부(123)를 포함한다. 제어부(121)는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 지령 동기 속도(ωref), 및 지령 동기 위치 신호(Id*)를 위치 추정부(140)로 전달할 수 있다. 예시적으로, 지령 동기 속도(ωref), 및 지령 동기 위치 신호(Id*)는 제어 신호(CTRL)에 포함된 목표 속도 및 목표 토크를 기반으로 결정될 수 있다.
제어부(121)는 위치 추정부(140)로부터 위치 신호(θm)를 수신하고, 수신된 위치 신호(θm)를 기반으로 지령 전압 생성부(122)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(121)는 수신된 위치 신호(θm)를 기반으로, 지령 전압 생성부(122)로부터 출력되는 지령 전압(Vref)의 위상을 제어할 수 있다. 또는, 제어부(121)는 위치 신호(θm)에 대응되는 전압 레벨을 지령 전압(Vref)으로서 출력하도록 지령 전압 발생기(122)를 제어할 수 있다.
예시적으로, 지령 전압(Vref)은 위치 추정부(130)로 전송될 수 있다. 위치 추정부(130)는 수신된 지령 전압(Vref)을 기반으로 전동기(101)의 역기전력을 추정할 수 있다.
PWM 변조부(123)는 지령 전압 생성부(122)로부터 지령 전압(Vref)을 수신하고, 수신된 지령 전압(Vref) 및 반송파를 비교하여 복수의 스위칭 신호들(S1~S6)을 출력할 수 있다. 예시적으로, 반송파는 PWM 변조 방식에 따라 미리 정해진 주파수 및 진폭을 갖는 신호일 수 있다. 예시적으로, 반송파는 삼각파, 구형파, 톱니파 등의 파형을 포함할 수 있다.
PWM 인버터(130)는 복수의 스위칭 신호들(S1~S6)을 수신하고, 수신된 복수의 스위칭 신호들(S1~S6)을 기반으로 3상 전압(u, v, w)을 생성하여 전동기(101)로 공급할 수 있다.
예시적으로, 본 발명에 따르면, A/D 변환기(130)로부터 출력되는 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)은 불연속적인 신호들이고, 위치 추정부(140)로부터 출력되는 위치 신호(θm), 지령 전압 발생기(122)로부터 출력되는 지령 전압(Vref)은 연속 신호일 것이다.
도 3은 도 1의 위치 추정부를 상세하게 보여주는 블록도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 위치 추정부(140)는 SRF PLL(141), 칼만 필터(142), 역기전력 추정부(133), 및 위치 연산부(134)를 포함한다.
SRF PLL(141)은 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)을 수신하고, 수신된 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 동일한 위상을 갖는 동기 정현파 신호들(Isa, Isb, Isc)을 생성할 수 있다. 예를 들어, SRF PLL(131)은 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic), 지령 동기 각속도(ωref) 및 지령 동기 위치 신호(Id*)를 기반으로 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 동일한 위상을 갖는 동기 정현파 신호들(Isa, Isb, Isc)을 생성할 수 있다. 예시적으로, 동기 정현파 신호들(Isa, Isb, Isc)은 연속적인 신호들일 수 있다.
칼만 필터(142)는 동기 정현파 신호들(Isa, Isb, Isc) 및 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)을 수신하고, 수신된 신호들을 기반으로 동기 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')을 생성할 수 있다. 예시적으로, 동기 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 비교하여 동일한 위상 및 동일한 진폭을 가질 수 있다.
예시적으로, 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)은 불연속적인 신호들이나, 동기 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 연속적인 신호들일 수 있다.
역기전력 추정부(143)는 동기 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')을 기반으로 전동기(101)의 역기전력(BEMF)을 추정할 수 있다. 예를 들어, 역기전력 추정부(133)는 전동기(101)의 파라미터들을 기반으로 모델링된 전동기 모델의 정보를 포함할 수 있다. 역기전력 추정부(133)는 전동기 모델의 정보, 동기 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic'), 및 지령 전압(Vref)을 기반으로 전동기의 역기전력을 추정할 수 있다. 예를 들어, 전동기(101)로부터 발생된 u상의 역기전력은 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1을 참조하면, Eu는 u상의 역기전력을 가리키고, Vu는 전동기(101)로 인가되는 u상의 전압 레벨을 가리키고, Vn은 중성점의 전압을 가리키고, L은 전동기(101)에 포함된 인덕턴스 값을 가리키고, Ru는 u상의 저항값을 가리키고, iu는 u상의 전류를 가리킨다.
이 때, u상의 전압은 지령 전압(Vref)으로부터 결정될 수 있고, 인덕턴스 값(L) 및 저항값(R)은 전동기(101)의 구동 전에 미리 측정된 값들일 수 있다. u상의 전류(iu)는 연속적인 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')로부터 결정될 수 있다.
즉, 상술된 바와 같이, 역기전력 추정부(143)는 미리 정해진 전동기 모델, 지령 전압(Vref), 및 연속적인 상전류 신호들(Ia`, Ib`, Ic`)을 기반으로 전동기(101)로부터 발생된 역기전력(BEMF)을 추정할 수 있다. 예시적으로, 역기전력(BEMF)은 3상 역기전력들일 수 있다.
위치 연산부(144)는 추정된 역기전력(BEMF)을 기반으로 전동기(101)에 포함된 회전자의 위치를 검출할 수 있다. 예를 들어, 추정된 역기전력(BEMF)은 회전자의 위치 정보를 포함한다. 위치 연산부(134)는 추정된 역기전력(BEMF)의 위상은 회전자의 전기적 위치를 가리킬 수 있다. 위치 연산부(134)는 검출된 위치를 기반을 위치 신호(θm)를 출력할 수 있다.
도 4는 도 3의 SRF PLL 및 칼만 필터를 더욱 상세하게 보여주는 블록도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, SRF PLL(141)은 클락 변환기(1411), 파크 변환기(1412), PI 필터(1413), 적분기(1414), 역 파크 변환기(1415), 및 역 클락 변환기(1416)를 포함한다.
클락 변환기(1411)는 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)를 수신하고, 수신된 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)을 정지 직교 좌표로 변환하여 정지 좌표 신호들(Iα, Iβ)을 생성할 수 있다. 정지 좌표 신호들(Iα, Iβ)은 파크 변환기(1412)로 전달된다.
파크 변환기(1412)는 정지 좌표 신호들(Iα, Iβ)을 수신하고, 수신된 정지 좌표 신호들(Iα, Iβ)을 회전 좌표로 변환하여 회전 좌표 신호들(Id, Iq)을 생성할 수 있다. 예시적으로, d-축 회전 좌표 신호(Id)는 회전자 자속과 동일한 축상의 전류 신호를 가리킨다.
예시적으로, 클락 변환기(1411) 및 파크 변환기(1412)는 3상 전류 신호들을 DQ(Direct-Quadrature) 변환하는 변환기일 수 있다. 즉, 클락 변환기(1411) 및 파크 변환기(1412) 3상 전류 신호들을 2상 전류 신호들로 변환하는 변환기일 수 있다.
회전 좌표 신호들(Id, Iq) 중 d축 성분(Id) 및 지령 동기 위치 신호(Id*)의 차이(e)는 PI 필터(1413)로 제공된다. 차이(e)는 PI 필터(131c)에 의해 여과되고, 여과된 차이(e)는 지령 각속도(ω_ref)와 더해져서 각속도 신호(ω)가 된다. 각속도 신호(ω)는 적분기(1414)에 의해 적분되어 회전각(θi)이 된다.
회전각(θi)은 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)의 위상을 가리킨다. 회전각(θi)은 파크 변환기(131b)로 제공되고, 파크 변환기(1412)는 회전각(θi)을 기반으로 정지 좌표 신호들(Iα, Iβ)을 회전 좌표로 변환한다. 예시적으로, 제1 루프(Loop)를 통해 회전각(θi)이 안정될 수 있다.
안정된 회전각(θi)은 역 파크 변환기(1415)로 제공된다. 역 파크 변환기(131e)는 수신된 회전각(θi)을 기반으로 동기 회전 좌표 신호(Isq, Isd)를 정지 좌표로 변환할 수 있다. 예시적으로, 동기 회전 좌표 신호(Isq, Isd)는 임의의 정현파 신호를 기반으로 하는 회전 좌표 신호일 수 있다. 또는 동기 회전 좌표 신호(Isq, Isd)는 지령 동기 속도(ω_ref)의 각속도를 갖는 정현파 신호를 기반으로 하는 회전 좌표 신호일 수 있다.
역 파크 변환기(1415)에 의해 변환된 동기 정지 좌표 신호들(Isα, Isβ)은 역 클락 변환기(1416)로 제공된다. 역 클락 변환기(1416)는 동기 정지 좌표 신호들(Isα, Isβ)을 동기 정현파 신호들(Isa, Isb, Isc)로 변환할 수 있다.
예시적으로, 역 파크 변환기(1415)가 회전각(θi)을 기반으로 동기 회전 좌표 신호(Isq, Isd)를 좌표 변환하기 때문에, 동기 정현파 신호들(Isa, Isb, Isc)은 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 동일한 위상을 가질 수 있다.
예시적으로, 클락 변환기(1411) 및 파크 변환기(1412)는 DQ 변환된 신호들을 3상 전류 신호들로 역변환하는 변환기일 수 있다. 즉, 역 클락 변환기(1411) 및 역 파크 변환기(1412) 2상 전류 신호들을 3상 전류 신호들로 변환하는 변환기일 수 있다.
칼만 필터(142)는 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic) 및 동기된 정현파 신호들(Isa, Isb, Isc)를 수신하고, 수신된 신호들을 기반으로 동기 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')을 생성할 수 있다. 예시적으로, 칼만 필터(132)로부터 출력된 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 비교하여 동일한 진폭 및 동일한 위상을 가질 수 있다.
예시적으로, 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)은 불연속적인 신호인 반면에, 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 연속적인 신호들이다.
도 5 및 도 6은 상전류 신호 및 동기된 상전류 신호를 보여주는 그래프들이다. 예시적으로, 도 5 및 도 6의 x축들은 시간을 가리키고, y축들은 전류 레벨을 가리킨다. 도면의 간결성을 위하여 1-상의 상전류 신호가 도 5 및 도 6에 도시된다.
도 5를 참조하면, 검출된 제1 상전류 신호(Ia, 즉, 표본 추출 및 아날로그 디지털 변환부로부터 출력된 신호)는 제1 라인(L01)과 같이 불연속적인 신호일 수 있다. 반면에, 동기된 제1 상전류(Ia')는 제2 라인(L02)과 같이 연속적인 신호(즉, 정현파 신호)일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, SRF PLL(131) 및 필터(132)에 의해 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 연속적인 신호이기 때문에, 전동기(101)의 위치 추정 및 제어의 정확성이 향상된다.
예시적으로, 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 정현파 신호가 아닐 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 검출된 제1 상전류 신호(Ia)는 제3 라인(L03)과 같을 수 있다. 이 때, 동기된 제1 상전류 신호(Ia')는 제4 라인(L04)과 같을 수 있다.
도 5에 도시된 바와 달리, 도 6에 도시된 동기된 제1 상전류 신호(Ia')는 정현파가 아닐 수 있다. 예시적으로, 전동기(101)가 정상 속도(즉, 일정한 속도)로 구동될 경우, 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 정현파 형태를 갖는다. 전동기(101)의 속도가 변경되는 경우, 속도가 변경되는 구간에서 상전류 신호의 파형이 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 제1 및 제2 시점(t1, t2)에서 전동기(101)의 속도가 변경될 수 있다. 이 때, 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 정현파 형태를 갖지 않을 것이다. 그러나, 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 정현파 형태를 갖지 않더라도, 연속적인 신호이므로 전동기(101)의 위치 추정 및 제어의 정확성이 향상된다.
도 7은 도 3의 위치 연산부의 출력을 보여주는 그래프이다. 예시적으로, 본 발명의 효과를 설명하기 위하여, 본 발명에 따른 위치 연산부의 출력 및 종래 기술에 따른 위치 연산부의 출력이 함께 설명된다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 종래 기술에 따른 위치 연산부의 출력(즉, 불연속적인 상전류 신호를 기반으로 추정된 위치 신호)은 제5 라인(L05)과 같다. 반면에 본 발명에 따른 위치 연산부(134)의 출력(즉, 연속적인 상전류 신호를 기반으로 추정된 위치 신호)는 제6 라인(L06)과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 위치 연산부(134)의 출력인 위치 신호는 연속적이기 때문에, 위치 신호를 기반으로 생성되는 지령 전압 또한 연속적인 파형을 가질 수 있다. 따라서, 전동기(101) 구동의 정확성이 향상된다.
도 8은 도 1의 전동기 구동 모듈의 동작 방법을 보여주는 순서도이다. 도 1 및 도 8을 참조하면, S110 단계에서, 전동기 구동 모듈(110)은 전동기(101)로 인가되는 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)을 검출한다. 이 때, 검출된 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)은 불연속적인 신호들일 수 있다.
S120 단계에서, 전동기 구동 모듈(110)은 검출된 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)과 동일한 위상 및 진폭을 갖는 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전동기 구동 모듈(110)은 SRF PLL(131) 및 칼만 필터(132)를 사용하여 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')을 생성할 수 있다. 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')은 연속적인 신호들일 수 있다.
S130 단계에서, 전동기 구동 모듈(110)은 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')을 기반으로 전동기(101)의 회전자의 위치를 추정하고, 추정된 위치를 기반으로 전동기(101)를 제어할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따르면, 전동기 구동 모듈(110)은 불연속적인 신호들인 검출된 상전류 신호들(Ia, Ib, Ic)을 연속적인 신호인 동기된 상전류 신호들(Ia', Ib', Ic')로 변환하여 회전자의 위치를 추정할 수 있다. 따라서, 회전자 위치 추정의 정확성이 향상되고, 전동기(101) 제어의 정확성이 향상된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예들에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 전동기 시스템 101 : 전동기
110 : 전동기 구동 모듈 120 : 전동기 구동부
130 : A/D 변환기 140 : 위치 추정부
141 : 동기 기준 프레임 위상 고정 루프
142 : 칼만 필터 143 : 역기전력 추정부
144 : 위치 연산부 150 : PWM 인버터

Claims (11)

  1. 회전자 및 고정자를 포함하는 전동기를 제어하는 전동기 구동 모듈에 있어서,
    외부로부터의 제어 신호에 응답하여 상기 회전자의 위치를 가리키는 위치 신호를 기반으로 상기 전동기로 인가되는 복수의 전압들을 제어하는 전동기 구동부;
    상기 전동기로 인가되는 복수의 상전류들을 검출하여 복수의 상전류 신호들을 출력하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 복수의 상전류 신호들을 기반으로 상기 회전자의 위치를 검출하여 상기 위치 신호를 출력하는 위치 추정부를 포함하고,
    상기 위치 추정부는
    상기 복수의 상전류 신호들을 신호들을 기반으로 복수의 동기 정현파 신호를 생성하는 위상 고정 루프;
    상기 복수의 상전류 신호들 및 상기 복수의 동기 정현파 신호들을 기반으로 복수의 동기 상전류 신호들을 생성하는 칼만 필터; 및
    상기 복수의 동기 상전류 신호들을 기반으로 상기 회전자의 위치를 검출하여 위치 신호를 출력하는 위치 연산부를 포함하고,
    상기 복수의 상전류 신호는 불연속적인 신호이고, 상기 복수의 동기 상전류 신호는 연속적인 신호인 전동기 구동 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기 구동부는
    지령 전압을 생성하는 지령 전압 생성부;
    상기 제어 신호 및 상기 위치 신호를 기반으로 상기 지령 전압 생성부를 제어하는 제어부;
    상기 지령 전압을 기반으로 복수의 스위칭 신호들을 생성하는 PWM(Pulse Width Modulation) 변조부를 포함하고,
    상기 전동기 구동 모듈은
    상기 복수의 스위칭 신호들을 기반으로 상기 복수의 전압들을 생성하는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 더 포함하는 전동기 구동 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 위치 추정부는
    상기 복수의 동기 상전류 신호들 및 상기 지령 전압을 기반으로 상기 전동기의 역기전력을 추정하는 역기전력 추정부를 포함하는 전동기 구동 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 역기전력은 연속된 신호로 추정되는 전동기 구동 모듈.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 위치 연산부는 상기 추정된 역기전력을 기반으로 상기 위치 신호를 출력하는 전동기 구동 모듈.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 지령 전압 생성부는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 위치 신호와 대응되는 상기 지령 전압을 출력하는 전동기 구동 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 고정 루프는
    상기 복수의 상전류 신호들 및 회전각을 기반으로 좌표 변환을 수행하여 회전 좌표 신호들을 출력하는 제1 변환기;
    상기 회전 좌표 신호들 중 어느 하나의 신호, 및 상기 제어 신호에 따른 지령 각속도 및 지령 동기 위치 신호를 기반으로 상기 회전각을 출력하는 적분기; 및
    상기 회전 좌표 신호들과 다른 동기 회전 좌표 신호들 및 상기 회전각을 기반으로 역 좌표 변환을 수행하여 상기 복수의 동기 정현파 신호들을 출력하는 제2 변환기를 포함하는 전동기 구동 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 변환기는
    상기 복수의 상전류 신호들을 정지 좌표로 변환하여 정지 좌표 신호들을 출력하는 클락 변환기; 및
    상기 회전각을 기반으로 상기 정지 좌표 신호들을 회전 좌표로 변환하여 상기 회전 좌표 신호들을 출력하는 파크 변환기를 포함하고,
    상기 제2 변환기는
    상기 회전각을 기반으로 상기 동기 회전 좌표 신호들을 정지 좌표로 변환하여 동기 정지 좌표 신호들을 출력하는 역 파크 변환기; 및
    상기 동기 정지 좌표 신호들을 상기 복수의 동기 정현파 신호들로 변환하는 역 클락 변환기를 포함하는 전동기 구동 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 동기 정현파 신호들은 상기 복수의 상전류 신호들과 동일한 위상을 갖는 전동기 구동 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기는 BLDC(Brushless direct current) 전동기인 전동기 구동 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 전압들은 3상 전압이고, 상기 복수의 상전류들은 3상 전류인 전동기 구동 모듈.
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